כאשר חללית משוגרת למסלול, החומרים שלה מתחילים מאבק בלתי נראה נגד כוחות שהם הרבה יותר הרסניים מכל דבר נתקל על כדור הארץ.סביבת החלל - ואקום שטבע עם קרינה, תנודות טמפרטורה קיצונית, חמצן אטומי ומיקרו-מטאוראידים - באופן שיטתי מדגימים פולימרים מתעוררים, מרוכבים ומתכות לאורך זמן.

סביבת החלל: שטח עוין לחומרים

בניגוד לאטמוספירה של כדור הארץ, החלל מציג שילוב של מתחים שפועלים בו זמנית ובאופן סינרגי.הגורמים החשובים ביותר כוללים הקרנה, רכיבה תרמית קיצונית, אבק קשיח, חמצן אטומי ומיקרוגרביטציה.כל אחד מהם יכול לגרום לשינויים פיזיים, כימיים או מכניים בחומרי אוויר, לעתים קרובות מאיצים מצבי כשלים שיימשכו עשורים על הקרקע.

קרינה: רייס קוסמים ורכיבי חלקיקים סולאריים

סביבת הקרינה החלל מורכבת מקרני קוסמים גלקטיים (GCRs), אירועי חלקיקים סולאריים (SPEs), וחגורת קרינה לכודה (כגון חגורת ואן אלן) הם פרוטונים עתירי אנרגיה גבוהה וצלים כבדים שיכולים לחדור מגן ולגרום נזק לעקירה, ion, ואפקטים חד-פעמיים רבים.

אופניים קיצוניים: מ +120 ° C עד -150 מעלות צלזיוס

כחללית עוברת מאור השמש לליקוי, טמפרטורת פני השטח שלה יכולה להתנדנד על ידי יותר מ-200 מעלות צלזיוס בתוך דקות.כל מסלול לכפות מחזור תרמי; מעל עשר שנים, לוויין בעל משקל נמוך לכדור הארץ עשוי לחוות מעל 50,000 מחזורים כאלה.ההתרחבות החוזרת וההתכווצויות יוצרת גם לחץ תרמי שמוביל לסדקים, דלמנטום במפרקים, ולמכור כישלונות משותפת.

קשיח Vacuum ו- Outgassing

בסביבה הקרובה של החלל (10–7 עד 10-12 Torr), תרכובות אורגניות תנודתיות (VOCs) ופרסומות נודדות מתוך חומרים.הגזינג הזה יכול לגרום לאובדן המוני, שינויים ממדיים, וזיהום של משטחים רגישים כגון אופטיקה ותאים סולאריים מסוימים - במיוחד adhsivesivesives, מנפחים, וכמה תרכובות ידועות של חומרים דליקים, כגון CM-Avd נמוך יותר, 000, 000 חומרים, 000, 000, חומרים, 000, 000, חומרים מחוספסים, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 של חומרים מגובה, 000 של חומרים קצרים, 000, 000, 000, 000 נמוך יותר, 000, 000, 000 נמוך יותר נמוך יותר, 000 נמוך יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 נמוך יותר, 000, 000, 000, 000 נמוך יותר, 000 נמוך יותר, 000.

אטומי חמצן

במסלול כדור הארץ נמוך (LEO), האווירה השוכנת מכילה חמצן אטומי תגובתי מאוד (AO) שנוצר על ידי ה photodi Association של חמצן מולקולרי. AO תוקף חומרים אורגניים ישירות, משטחים מעוקלים בקצב שניתן להגיע גבוה כמו כמה מיקרומטר בשנה. Polymers כמו Kapton, Mylar, ו-Teflon הם רגישים; מטבוליים פחמן וחיבורי כסף על ספקטרום רחב של CR2FID2 חשוף גם כן (R) , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , מחסומים מחסומים , , , מחסומים מחסומים , , חץ הגנה (R) ⁇ , חץ ארוך ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מיקרומטאורואידים ואפקט של דביריס

מיקרומטאורואידים ופסולת מעשה ידי אדם נוסעים בהיפרבעיר (עד 15 ק"מ / של LEO) אפילו חלקיקים בגודל אבק יכולים לנקב כלי לחץ, לתיק תאים סולאריים, וליצור זרמי פלזמה שגורמים לפירוק אלקטרוסטטי.בזמן, ההסתברות המצטברת של עלייה, הדורשת הגנה באמצעות מגינים חוטפים או מולטי-רוב.

מכניזם של חומר

בעוד מתח סביבתיים ידועים, המנגנונים שבאמצעותם הם מכים חומרי אווירוקל מורכבים ולעתים קרובות תלויים הדדית ההבנה של מנגנונים אלה חיוניים לחיזוי ביצועי שירות ופיתוח פרוטוקולים מואצים.

קרינה: אספקת Embrittlement ו-Destion Build-Up

קרינה מייננת יוצרת זוגות של אלקטרון-חור, רדיקלים חופשיים, ומינים מונים בחומרים.בפולימרים, זה מוביל לקישורים (הרדינג) או פיסול (לעתים קרובות) של רשתות מולקולריות. Polyimides ו פלואופולמרים עוברים עניבה, הגדלת מודולו אך ירידה בהתמדה לכשל.

ה-Mechanical Fatigue

אופניים תרמית גורמת זנים מחזוריים בשל חוסר התאמה ב coefficient של הרחבה תרמית (CTE) בין חומרים דיסימיים. אג"ח אדמדסיבי, מפרקים מכר, ו insulation רב שכבתיים הם פגיעים במיוחד.הכישלון הוא לעתים קרובות מודל באמצעות יחסי Coffin-Manson, אשר צופה מחזורים נמוכים יותר להיכשל בתנודות טמפרטורה גבוהות יותר.

Vacuum ו-Hybergy

השילוב של ריק וטמפרטורה מאיץ גזים ונשגב. כמה חומרים יציבים בטמפרטורת החדר עשויים להיות נשגבים בטמפרטורות גבוהות ואקום.זינקו תחמוצת (ZnO) המשמש בצבע לבן שליטה תרמי ידוע לניתוק מתחת לקרינת אולטרה סגול משולבת (UV) ווואקום, ויצרו vacancies חמצן כי הכה את הצבע ולהגדיל את אפקט רפליקציה חמה על טלסקופ החלל הזה.

אטומי חמצן כימי

חמצן אטומי מגיב עם משטחים אורגניים באמצעות תהליך מוגבל על פני השטח.ההסתברות התגובה גבוהה, המוביל לשחיקה אחידה (לינארי עם הזמן) בתנאים טיפוסיים של LEO. מוצרי חמצון וכתוצאה מכך הם תנודתיים (CO2, H2O) ואבדים, גרימת מיתון נטו (למשל, גרף epoxy) odeerode, במהירות בעוד סיליקון צורה הגנה ניתן לחשוף במהירות סגסוגת יעילה יותר.

שיטות להשלכות ארוכות טווח

כדי לאשר חומרים עבור משימות חלל ארוכות טווח, מהנדסים ומדענים משתמשים בשילוב של סימולציה מבוססת קרקע, ניסויים חשיפה תוך-אוביט, הזדקנות מואצת ומודל חישובי.שום שיטה אחת לא יכולה לשכפל באופן מלא את סביבת הלחץ המשולבת של 15+ שנה, אבל יחד הם מספקים בסיס איתן לחיזוי החיים.

המונחים: Ground-based Simulations

מתקנים מיוחדים לשכפל מתחים בודדים או משולבים בחלל בתאי ואקום.

  • (ב) ,0) תא ואקום הירומל 1 לבדיקות אופניים (למשל, חדר הסימכה של חיל האוויר).
  • מקורות הפחתת ה-FLT:0 (Radiation מקורות FLT:1) כגון תאי Co-60 gamma, מאיצים פרוטון ו-אלקטרונים לאפקטים של מינון.
  • (ב) ,0) מתקני החמצן האטומיים (AO) שיוצרים את AO באמצעות פריקת מיקרוגל או לייזר כדי לדמות את שחיקה של LEO.
  • (FLT:0) תא הסביבה המשולב של ההרחבה:1rea החל את ה-UV, ואקום, ורכיבה תרמית בו זמנית כדי להעריך אפקטים סינרגטיים.

סימולציות אלה מאפשרות בדיקות במשך שבועות עד חודשים, תוך דחיסת שנים של חשיפה.עם זאת, התאמה עם נתוני חלל אמיתיים היא חיונית כדי לאמת את גורמי ההאצה.

ניסויים In-Orbit

הנתונים האמינו ביותר מגיעים מחומרים שנחשפו לתנאי חלל בפועל.

  • (הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) הניסוי בתחנת החלל הבינלאומית (MISSE)FLT:1 - סדרה של נושאים דמויי מזוודה שרכוב על החיצוני של ISS מאז 2001. "ל-ISS יש טיסות על פני 4,000 חומרים, כולל פולימרים, מרוכבים, ציפויים, תאים סולאריים.
  • (FLT:0) , European Space Agency's Technology Exposure Facility (TechExF) 1Felo: 1 על ISS.

ניסויים אלה מספקים נתונים בזמן אמת על אובדן המוני, שינויים תרמו-אופטימיים, שיעורי שחיקה ומיקרו-פציפינג.הם גם חושפים השפעות סינרגיסטיות בלתי צפויות, כגון האצה של שחיקה חמצן אטומית בנוכחות קרינה UV.

בדיקות Aging

הזדקנות מואצת משתמשת בטמפרטורות גבוהות, שיעורי מינון קרינה גבוהים יותר, או יותר עז AO פלוקסes כדי לדחוס זמן החשיפה.האתגר הוא להבטיח מצב הכישלון נשאר זהה ולא מנגנונים חדשים מוצגים.לדוגמה, רכיבה תרמית בקיצוניות טמפרטורה גבוהה יותר עשויה לשנות את ההתנהגות המולסטית של פולימרים, תוצאות מתפתל.שימוש זהיר של Arrhenius ומודלים קינטית אחרים עוזר לקשר נתונים מואצים אמיתיים לחיזוי זמן.

מודלים

עיצוב חלליות מודרני יותר מסתמך על מודלים המבוססים על פיזיקה המשלבים תחבורה קרינה, ניתוח אלמנט סופי תרמי, ודינמיקה מולקולרית.כלי כמו FLT:0GEANT4IRFLT 1 לאפקטים קרינה, FLT:2ANSYSFLT 3 עבור מתח תרמי, ו-FLT:4MD סימולציות FLT:5 עבור סחף חמצן אטומי מאפשר בדיקות וירטואליות תחת משימות ממוקדות, נעשה שימוש בדגמים חדשים של נתונים, וחיזוי.

מחקרים: שיעורים ממשימות אמיתיות

בחינת משימות ספציפיות ממחישה כמה השפעות סביבתיות ארוכות טווח הובילו שינויים בעיצוב ובחירת חומרים.

טלסקופ החלל האבל (HST)

כאשר הושק בשנת 1990, ששמיכות ה בידוד הרב-שכבות שלה נעשו מקאטון מאלומיניום מאלומיניום.לאורך זמן, חמצן אטומי שדד את הקפטון החשופ, מה שגרם לדיכאון ולאובדן של שליטה תרמית.בנוסף, צבע הבקרה התרמית הלבן על דלת טלסקופ של אדפטן (Floring) הפך חום עקב שילוב של UV ושפל, הגדלת הפחתת השפע שלו וגורם להתחממות יתר על פני השטח של משימות.

תחנת החלל הבינלאומית

ISS נחשף ברציפות לתנאי LEO מאז 1998. החומרים המבניים שלה -aluminium 2219, titanium, ו מסובכים שונים - כבר נבדקו באמצעות הניסויים של ה-HyE. אחד הממצאים החשובים היה כי מערך השמש המכוסה כסף שנפרד בכ- 0.2 nm ליום בשל חמצן אטומי, הדורש ציפויים עבה יותר.

Mars Rovers (Spirit, Opportunity, Curiosity, Perseverance)

משימות פני השטח של מאדים ניצבות בפני אבק, קרינת UV, מחזורי טמפרטורה קיצוניים (במרחק ל- 80 מעלות צלזיוס), ומלחים חודרים באדמה.גלגלי הסקרנות הראו נזק בלתי צפוי מסלעים חדים בשילוב עם אופניים תרמיים - מצב לא צפוי לחלוטין מבדיקות כדור הארץ.זה מדגיש את הצורך בבדיקת החלפתם בתנאים סביבתיים מציאותיים.

כיוונים עתידיים בחומרים אוויריים

כדי לענות על הדרישות של משימות לטווח ארוך - כגון תוכנית ארטמיס של נאס"א, בתי גידול מקיפים, ובדיקות חלליות עמוקות - חומרים חדשים וציפויים נמצאים תחת פיתוח.

ננו-חומרים ו-Comosites

ננו-בוטיקים (CNTs) ו-Granene nanosheets מציעים יחסים יוצאי דופן במשקל עד משקל וקרינה מגנים נכסים.על ידי שילוב CNTs לתוך מזחלות פולימר, החוקרים יצרו תרכובות אשר הן חזקות מבחינה מכנית והן עמידות חלקית לחמצן האטומי.FLT:0Graphene oxideFLT:1), גם מבטיח מחסום נגד סגסוגת עם זאת, עם זאת, עם זאת, לטווח ארוך של לחץ דם פעיל של מעגל קרינה, בטווח הארוך, תחת לחץ דם.

חומרי ההולכה עצמית

בהשראת מערכות ביולוגיות, פולימרים עצמיים וציפויים יכולים לתקן מיקרו-קליפים ו- AO נזק אוטונומי.גישות כוללות ריפוי מבוסס מיקרו-capsule, חיבורים קוהנדסיים בלתי הפיכים, ובצורת פולימרים אמפריים.The FLT:0 European Space AgencyFLT:1 נבדקה מיקרו-capsule-epoxysule-מלאים על בסיס קרקעיים, מראה את התכונות של מיקרו-מסלולאריות לאחר סימולציה של מיקרו-מפוסלוקסיד.

קרינה מתקדמת - זיקוקים

ציפויים מרוב שכבות המשלבות חומרים עתירי גבוה (למשל, tungsten או tantalum) עם שכבות מימן נמוך Z יכול להפחית את המינון הקרינה משני מ GCRs. ציפויים אלה חייבים גם לעמוד על אופניים תרמיים וחמצן אטומי. ציפוי חכם שמשנים צבע או כישות בתגובה לנזק קרינה נחקרים עבור ניטור בריאות בזמן אמת.

In-Situ Resource Utilization (ISRU) חומרים

עבור בתי גידול על הירח או מאדים, באמצעות regolith המקומי לייצר לבנים או מחסומים קרינה יכול להפחית את המסה של חומרים משוגרים מכדור הארץ.הבנת כיצד מרוכבים regolith degrade תחת הסביבה המקומית (למשל, אבק ירח, מחזורי מאדים תרמי) הוא קריטי.

מסקנה

תוך הסתמכות על ההשפעות ארוכות הטווח של סביבת החלל על חומרי אווירוקל היא אתגר רב-פעמי הדורש הבנה עמוקה של פיזיקה, כימיה והנדסה. מקרינה ושחיקה חמצן אטומית לעייפות תרמית ויציאה, כל מתח יכול להחזיר באופן שקט את החומרים המבניים והביצועים של כדור הארץ.